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1、第5章第4节 辐射传热本讲稿第一页，共三十页一、基本概念1 热辐射与辐射传热热辐射与辐射传热 1）热辐射）热辐射 物体以电磁波形式传递能量的过程物体以电磁波形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能称为辐射，被传递的能量称为辐射能。因热的。因热的原因引起的电磁波辐射，即是热辐射。原因引起的电磁波辐射，即是热辐射。2）辐射传热）辐射传热 不同物体间相互辐射和吸收能量的不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程称为辐射传热。综合过程称为辐射传热。辐射传热的净结果是高温物体向低温物体传递了能量。辐射传热的净结果是高温物体向低温物体传递了能量。热辐射与对流和传导的主要不同点是：热辐射线可以热辐射与
2、对流和传导的主要不同点是：热辐射线可以在真空中传播，无需任何介质。在真空中传播，无需任何介质。本讲稿第二页，共三十页2 热射线热射线 能被物体吸收转变成热能的电磁波波长范围为能被物体吸收转变成热能的电磁波波长范围为0.420m，而其中可见光线的波长范围约为，而其中可见光线的波长范围约为0.40.8m，红外光线的波长范围为，红外光线的波长范围为0.820m。可见光线和红外光线统称热射线。红外光线可见光线和红外光线统称热射线。红外光线的热射线对热辐射起决定作用。的热射线对热辐射起决定作用。本讲稿第三页，共三十页3 黑体、镜体、透过体和灰体黑体、镜体、透过体和灰体 如图如图 4-34所示，假设投射在
3、某一物体上的总所示，假设投射在某一物体上的总辐射能量为辐射能量为Q，则其中有一部分能量，则其中有一部分能量QA被吸收，被吸收，一部分能量一部分能量QR被反射，余下的能量被反射，余下的能量QD透过物体。透过物体。物体上的总辐射能应为吸收、反射与透过能量物体上的总辐射能应为吸收、反射与透过能量之和，即：之和，即：本讲稿第四页，共三十页 黑体黑体 能全部吸收辐射能，即吸收率能全部吸收辐射能，即吸收率A=l的物的物体，称为黑体或绝对黑体。体，称为黑体或绝对黑体。镜体镜体 能全部反射辐射能，即反射率能全部反射辐射能，即反射率R=1的物的物体，称为镜体或绝对白体。体，称为镜体或绝对白体。透热体透热体 能透
4、过全部辐射能，即透过率能透过全部辐射能，即透过率D=1的物体，称为透热体。的物体，称为透热体。一般单原子气体和对称的双原子气体均可视一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热体。（为透热体。（温室气体？温室气体？）一般来说，一般来说，固体和液体都是不透热体，即固体和液体都是不透热体，即D0，故，故AR=1；气体反射率；气体反射率R=0，A+D=1。本讲稿第五页，共三十页 灰体灰体 以以相同相同的吸收率部分地吸收由的吸收率部分地吸收由零到零到所有波长范围所有波长范围的辐射能的物体定义为灰体的辐射能的物体定义为灰体。灰。灰体也是体也是理想物体理想物体。灰体的特点：灰体的特点：（1）灰体的）灰体的
5、吸收率吸收率A不随辐射线的波长而不随辐射线的波长而变。变。（2）灰体是）灰体是不透热体不透热体，即，即AR1。大多数的工程材料都可视为灰体，大多数的工程材料都可视为灰体，可简可简化辐射传热的计算化辐射传热的计算。本讲稿第六页，共三十页二、物体的辐射能力和有关的定律 辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，用时间内所发射的全部波长的总能量，用E表示，其单位为表示，其单位为W/m2。在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用单色辐射能力，用E表示。表示。
6、若在若在至（至（）的波长范围内的辐射能力为）的波长范围内的辐射能力为E，则，则本讲稿第七页，共三十页1辐射能按波长分布的定律辐射能按波长分布的定律普朗克定律普朗克定律 根据量子理论推导出黑体的单色辐射能力根据量子理论推导出黑体的单色辐射能力Eb随波长随波长和温度变化的函数关系和温度变化的函数关系 c1的单位：的单位：W/m2；c2的单位：的单位：m.K 称为普朗克定律，揭示黑体的辐射能力按照称为普朗克定律，揭示黑体的辐射能力按照波长波长的分配规律。的分配规律。本讲稿第八页，共三十页 讨论：讨论：1.在一定在一定T下，下，E b变化关系有极值存在，变化关系有极值存在，令令 则则 这称这称“维思维
7、思”定律，说明辐射强度的最高值随定律，说明辐射强度的最高值随T增高而向增高而向降低方向移动。降低方向移动。2.在一般技术范围内在一般技术范围内(T 1400K)辐射能主要辐射能主要分布在分布在0.810m的的红外光波红外光波段内，分布在可见光波段段内，分布在可见光波段0.40.8m的能量很小。在很高的的能量很小。在很高的T下，能量主要分布下，能量主要分布在在短波区短波区。3.普朗克定律是黑体辐射定律，实际物体的单色普朗克定律是黑体辐射定律，实际物体的单色辐射力与辐射力与及及T的关系只能用实验测定。的关系只能用实验测定。本讲稿第九页，共三十页 黑体辐射能力按波长的分布规律曲线如图黑体辐射能力按波
8、长的分布规律曲线如图4-35所示。所示。本讲稿第十页，共三十页2 四次方定律斯蒂芬波尔茨定律 黑体在某一温度下的辐射能力，即每一等温线下到横黑体在某一温度下的辐射能力，即每一等温线下到横轴间的面积，即轴间的面积，即 积分得本讲稿第十一页，共三十页 不同的物体辐射系数不同的物体辐射系数C值不相同，其值与物体值不相同，其值与物体的性质、表面状况和温度等有关。的性质、表面状况和温度等有关。C值恒小于值恒小于 C0，在，在 0 5.67范围内变化。范围内变化。上式即为斯蒂芬上式即为斯蒂芬-波尔茨曼定律，通常称为波尔茨曼定律，通常称为四次方定律。斯蒂芬四次方定律。斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示黑体的波尔茨曼定
9、律揭示黑体的辐辐射能力与其表面温度射能力与其表面温度的关系，表明黑体的的关系，表明黑体的辐射能辐射能力仅与热力学温度的四次方成正比力仅与热力学温度的四次方成正比。四次方定律也可推广到灰体，可表示为四次方定律也可推广到灰体，可表示为本讲稿第十二页，共三十页物体的黑度物体的黑度 通常将灰体的辐射能力与同温度下通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比定义为物体的黑度（又称发射率）黑体辐射能力之比定义为物体的黑度（又称发射率）用用表示，即表示，即由物体的黑度可求得该物体的辐射能力。由物体的黑度可求得该物体的辐射能力。本讲稿第十三页，共三十页本讲稿第十四页，共三十页3 克希霍夫克希霍夫 定律定律
10、克希霍夫定律揭示了物体的克希霍夫定律揭示了物体的辐射辐射能力能力E与与吸收率吸收率A之间的关系。之间的关系。二块相距很近的平行平板的辐射二块相距很近的平行平板的辐射传热，传热，如图如图4-36所示。所示。对板对板1来说，辐射传热的结果为来说，辐射传热的结果为灰体黑体T1T2T1T2 当两板达到热平衡，即当两板达到热平衡，即 T1=T2时，时，q=0本讲稿第十五页，共三十页 上式为克希霍夫定律的数学表达式。该式上式为克希霍夫定律的数学表达式。该式表明表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，也同温度下黑体的辐射能力，也仅与物体的绝对温
11、仅与物体的绝对温度有关度有关。因板因板1可以用任何板来代替，可以用任何板来代替，上式可写为上式可写为本讲稿第十六页，共三十页 在同一温度下，物体的吸收率和黑度在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相同的在数值上是相同的。但是。但是 两者的物理意义两者的物理意义则完全不同。前者为吸收率，表示由其它则完全不同。前者为吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；后者为发射率，表示物体的辐射能力数；后者为发射率，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。占黑体辐射能力的分数。得本讲稿第十七页，共三十页3 两固体间的辐射传热 两个面积很大（相对于两两个
12、面积很大（相对于两者距离而言）且相互平行的灰者距离而言）且相互平行的灰体平板间相互辐射如图体平板间相互辐射如图4-37所所示。示。两平行平板间单位时间内、两平行平板间单位时间内、单位表面积上净的辐射传热量单位表面积上净的辐射传热量为两板间辐射的总能量之差，为两板间辐射的总能量之差，即即本讲稿第十八页，共三十页代入得以本讲稿第十九页，共三十页 若平行的平板面积均为若平行的平板面积均为S时，则辐射传时，则辐射传热速率为热速率为 实际应用中需引入几何因素（角系数）修实际应用中需引入几何因素（角系数）修正辐射传热速率：正辐射传热速率：本讲稿第二十页，共三十页本讲稿第二十一页，共三十页 注意：注意：1.
13、辐射公式可用于任何形状辐射公式可用于任何形状的表面之间的相互辐射，但的表面之间的相互辐射，但对一物体被另一物体包围下对一物体被另一物体包围下的辐射，则要求被包围物体的辐射，则要求被包围物体的表面应为平表面或凸表面，的表面应为平表面或凸表面，如图如图4-38中所示。中所示。2.角系数角系数表示从辐射面积表示从辐射面积S所所发射出的能量为另一物体表面发射出的能量为另一物体表面所获截的分数，所获截的分数，必须和选定的必须和选定的辐射面积辐射面积S相对应相对应。本讲稿第二十二页，共三十页本讲稿第二十三页，共三十页已知铸铁的黑度为已知铸铁的黑度为0.78，铝的黑度为，铝的黑度为0.11本讲稿第二十四页，
14、共三十页解：放置铝板前的热辐射损失 本题属于很大物体2包住物体1的情况，因此，S=3*3=9m2 C1-2=C0*1=5.67*0.78=4.423W/（m2.K4）=1 因此，Q1-2=4.423*1*9(227+273)/1004-(27+273)/1004本讲稿第二十五页，共三十页l(2)放置铝板后因辐射损失的热量 以下标1，2，i分别表示炉门、房间和铝板 假设平衡状态下铝板的温度为TiK，则铝板向房间辐射的热量为 Qi-2=Ci-2S(Ti/100)4-(T2/100)4 式中，S=9m2，=1 Ci-2=C0i=5.67*0.11=0.624 W/（m2.K4）故 Qi-2=0.62
15、4*9(Ti/100)4-81 炉门对铝板的辐射传热视为两个无限大平板之间的传热，放置铝板后炉门的热损失为：本讲稿第二十六页，共三十页 Q1-i=C1-iS(T1/100)4-(Ti/100)4 式中，S=9m2，=1 C1-i=C0/(1/1+1/i-1)=0.605W/（m2.K4）所以，Qi-2=0.605*9625-(Ti/100)4 当传热达到稳定时，Q1-i=Qi-2 解得 Ti=432K 故 Qi-2=0.605*9625-(Ti/100)4=1510W 放置铝板后，热损失减少(Q1-2-Q1-i)/Q1-2=93%设设置隔置隔热挡热挡板是减少板是减少热辐热辐射射损损失的主要手段
16、之失的主要手段之一。一。本讲稿第二十七页，共三十页四 对流和辐射的联合传热 在计算某些温度较高的工业管道和设备的热损失问题中，需要考虑对流与辐射的联合作用。尽管二者遵循不同的规律，但在二者共存的场合，常常将后者也用统一的牛顿冷却定律表示。本讲稿第二十八页，共三十页设备的热损失计算基础：辐射传热速率方程对流传热速率方程本讲稿第二十九页，共三十页 有保温层的设备外壁与周围环境的联合传热系有保温层的设备外壁与周围环境的联合传热系数数，可用下列各式进行估算：，可用下列各式进行估算：1.空气自然对流时空气自然对流时 在平壁保温层外在平壁保温层外 在管或圆筒壁保温层外在管或圆筒壁保温层外 两式适用于两式适用于 t w 150的场合。的场合。2.空气沿粗糙壁面强制对流时空气沿粗糙壁面强制对流时 空气的流速空气的流速 u 5m/s:空气的流速空气的流速 u5 m/s:本讲稿第三十页，共三十页